導讀：采用激光粉末床熔融（LPBF）打印鋁鋰合金具有巨大的工業應用潛力。然而，由于鋰的添加而導致的高熱裂敏感性（HCS），其仍然是制約其快速向此類工業應用發展的關鍵因素。本文通過三維 (3D) X 射線顯微斷層掃描技術研究了 LPBF 工藝制造的 2195 Al-Li 合金的熱裂行為。結果顯示，打印樣品中具有 3D 網狀結構的大且相互連接的裂縫，從之前的單個軌道中的層狀裂縫沿構筑方向逐層延伸。Al 6CuLi3之間的偏析導致Al-Cu共晶沿大角晶界形成晶間液膜。此外，發現2之間的界面層（枝晶內液膜）Cu和相鄰的LiAlSi或AlCuMgAg在晶粒內部表現出降低的抗微裂紋性。此外，高的內部殘余拉應力為裂紋的萌生和擴展提供了驅動力。

增材制造(AM) 是一種實現復雜形狀高性能金屬零件的三維 (3D) 近凈形成型的方法，推動了基于3D打印的下一次工業革命。與傳統的減材制造相反，增材制造采用逐步逐層的材料加工策略。它允許將模型切片從復雜的 3D 設計轉換為簡單的 2D 幾何圖形。激光粉末床融合(LPBF) 是一種典型的基于粉末的增材制造方法。Al-Li 合金比傳統的 2xxx 或 7xxx 系列鋁合金更受歡迎，因為它們具有低密度、高彈性模量、高強度重量比、高損傷容限和耐腐蝕性。此外，可以引入 Cu 和 Mg 以形成 Al-Cu-Li 合金，這有助于優化析出順序，或者通過與 Li 結合生成強化相，例如 T 1 (Al 2 CuLi) 和 T 2 (Al 6 CuLi 3 )，或通過改變溶解度。然而，添加 Li 和 Cu 也顯著增加了熱裂敏感性(HCS) 的鋁鋰合金。

實現這一目標的主要障礙可能是鋁鋰合金在 LPBF過程中復雜的非平衡凝固過程。在這項工作中表明，Al-Li 合金的最終沉淀順序直接影響打印樣品的熱裂行為和機械性能。然而，關于鋁鋰合金的LPBF加工的研究很少。通過調整工藝參數來優化激光加工性能是制造無裂紋鋁鋰組件的重要一步。

一般來說，熱裂的貢獻主要來自兩個來源：液膜和應力集中。穩定的液膜是必不可少的先決條件，而應力集中是引發裂紋并使其擴展的觸發因素，最終導致災難性故障。需要考慮的最重要因素之一可能是由于鋰的添加而導致的動態沉淀順序的變化，這直接影響了液膜的分布和穩定性。因此，建立微觀結構演化、液膜穩定性和殘余應力分布之間的關系是揭示熱裂機理的關鍵。在鋁鋰合金的LPBF過程中。因此，直流溫度噸br對于排斥邊界，取決于如圖 12a 所示的錯誤取向角θ，其中參考值噸b一種對于 2195 Al-Li 合金，定義為 759 K。最低直流溫度噸b,分鐘r和最大直流過冷度Δ噸b,最大限度分別計算為 562 K 和 197 K。

哈爾濱工業大學 ZhenglongLei結合實驗和理論計算來闡明LPBF 處理的 2195 鋁鋰合金的熱裂機理。全面討論了裂紋萌生、擴展和停止的動態熱裂紋演化過程，對指導工藝優化具有重要意義。在打印鋁鋰樣品中捕獲了具有 3D 網狀結構的晶間裂紋。網狀裂紋由單道層狀裂紋逐層擴展。由偏析產生的Al-Cu共晶有助于形成晶間液膜。晶間熱裂敏感性高于晶粒內部。在應力集中作用下液膜撕裂是裂紋萌生的主要原因。相關研究成果以題“”

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圖 1。粉末形態和尺寸分布：（a）放大 400 倍的SEM圖像和（b）粉末尺寸分布。

圖 2。LPBF平臺示意圖：（a）實驗程序和（b）棋盤掃描策略。

圖 3。模擬中使用的計算域和網格圖示：(a) 3D有限元模型（側視圖）；(b) 模型的頂視圖，顯示LPBF過程中的掃描策略。

通過高通量測試獲得的參數優化圖如圖 4所示，其中繪制了所有嘗試組合的每個單道掃描的激光功率 (Watts) 與掃描速度 (mm/s) 的關系。如圖 5 所示。隨著VED的增加，相對密度先增加后趨于穩定。在 129.63 J/mm 3的低 VED 下，許多由粉末熔化不足和液相擴散不足引起的孔缺陷和裂紋如圖 5 所示。a，導致 92.73% 的低密度。隨著能量輸入的增加，孔隙缺陷和裂紋消失。

圖 4。單軌掃描工藝參數窗口的優化：（a）-（d）典型單軌樣品的表面形貌，（e）從高通量單軌掃描獲得的參數優化圖。

圖 5。致密化分析：(a) - (d) 典型橫截面OM 圖像和 (e)能量密度對相對密度的影響。

圖 6。立方樣品的SEM圖像：(a) - (c) 逐漸放大的微觀結構 BSE 視圖。

圖 7。XRD 圖案：(a) 粉末和印刷樣品，(b) 區域 b 的放大圖，和 (c) 區域 c 的放大圖。

圖 8。準晶 T 2相的相鑒定：(a)粗 GB 相呈網絡分布的BSE顯微照片，(b) EDS 結果，(c) 準晶相的 TEM 形態，(d)具有a典型的五重對稱，和（e） HRTEM圖像。

圖 9。使用 TEM 進行元素分布和相識別：(a) TEM 明場顯微照片，(bf) Al、Cu、Si、Ag 和 Mg 的 EDS 映射，(g) (a)、(h、i) 相應SAD的放大圖像區域 A 和 B 的圖案，(j) δ´  /β´  的形態，(k) 相應的 δ´  /β´  的 SAD 圖案，以及 (l) 沿<100 >區域軸的標準衍射圖案。

圖 10。LPBF處理樣品的熱裂行為：（a）整個試樣的典型XRM切片，（b）孔隙和裂紋的宏觀分布，（c，d）網狀大互連裂紋的3D圖像，（e，f）沿GBs的典型初始沿晶表面斷裂，和（g）晶粒內的條紋狀界面微裂紋。

圖 11。EBSD結果分析了 LPBF 處理的鋁鋰合金縱向截面上的 GBs：(a) IPF 圖像，(b) HAGBs 和 LAGBs 的 GB 分布圖，(c) 顯示應變濃度的KAM圖，(d) 晶粒尺寸分布，(e) 沿裂紋擴展路徑的方向錯誤角和 (f) 方向錯誤角分布。

圖 12。取向差角對枝晶聚結溫度和GB能量的影響。(a) GB 角與聚結溫度的關系，(b) GB 角與 GB 能量的關系。

圖 13。Al-Li 和 AlSi10Mg 合金凝固曲線的對比分析：(a) 凝固溫度范圍，(b) (a) 凝固最后階段的放大圖像。

圖 14。P = 200 W 和v = 100 mm/s 時LPBF中溫度和應力場的模擬結果：(a) 溫度場，(b) 實驗驗證，(c) P1 處計算的 X 分量熱應力，以及 (d) X 分量殘余應力分布。

圖 15。結晶和元素相互擴散過程的示意圖：（a）液相中的α- Al成核，（b）T相成核，（c）MgAgCuSi簇，Ω相，θ´-相枝晶內成核和T 2 -相晶間形核，(d) 離異共晶形成和晶間裂紋萌生，(e) - (h) 突出了涉及最復雜情況與時間的枝晶內沉淀演化順序。需要注意的是，枝晶內微裂紋的放大圖像如（h）所示，其趨向于發生在枝晶內低熔點共晶區。

圖 16。裂紋萌生和擴展過程示意圖：(a)在拉應力作用下，由于液膜撕裂引起裂紋萌生，(b)裂紋沿 GBs 擴展，(c) 裂紋擴展至 FGZ 或連續裂紋時的裂紋停止裂紋在枝晶生長方向上擴展，以及 (d) 裂紋趨于匯聚在一起，導致具有 3D 網狀結構的大互連裂紋。

(1)由于逐層處理策略，在打印的鋁鋰合金樣品中遇到了具有 3D 網狀結構的大互連裂紋，這些裂紋從之前的單軌道中的層狀裂紋沿構建方向延伸。相互連接的析出物通過晶間裂紋溶解出來，導致裂紋路徑更加復雜和規則，與晶粒內部相比，裂紋擴展阻力顯著降低。

(2)LPBF 處理的鋁鋰合金表現出很強的HCS，尤其是在 HAGB 中，這歸因于穩定的液膜和某些應力集中的存在。T 2相和α-Al基體之間的界面偏析促進了沿GBs（晶間液膜）形成Al-Cu共晶。θ´ 相與相鄰的 T 相或 Ω 相（枝晶內液膜）之間的界面層可能在晶粒內部存在缺陷。

(3)聚結過冷?噸bHAGBs的（15.6°）（155.5 K）遠大于易損區的溫度范圍（59.7 K），這表明與晶粒內部相比，晶間區域的液膜穩定性和HCS更高。

(4)計算得到的 208.0 MPa 的殘余拉伸應力表明打印樣品內的內部殘余應力水平很高，這構成了裂紋萌生和擴展的驅動力。

(5)通過預熱基板和降低掃描速度獲得無裂紋樣品，有利于降低溫度梯度，延長熔池壽命，防止熱裂紋。